Assim como um medidor com centenas de marcas de escala pode ser usado para medir distâncias com grande precisão, um dispositivo conhecido como pente de frequência de laser, com suas centenas de espaçadas uniformemente, frequências bem definidas, pode ser usado para medir as cores das ondas de luz com grande precisão.

Pequeno o suficiente para caber em um chip, versões em miniatura desses pentes - assim chamados porque seu conjunto de frequências uniformemente espaçadas lembra os dentes de um pente - estão tornando possível uma nova geração de relógios atômicos, um grande aumento no número de sinais que viajam através de fibras ópticas, e a habilidade de discernir minúsculas mudanças de frequência na luz das estrelas que sugerem a presença de planetas invisíveis. A versão mais recente dessas "microcombas baseadas em chip, "criado por pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara (UCSB), está preparada para avançar ainda mais nas medições de tempo e frequência, melhorando e estendendo as capacidades desses minúsculos dispositivos.

No coração dessas microcombas de frequência está um microrressonador óptico, um dispositivo em forma de anel da largura de um fio de cabelo humano no qual a luz de um laser externo percorre milhares de vezes até atingir alta intensidade. Microcombs, muitas vezes feito de vidro ou nitreto de silício, normalmente requerem um amplificador para a luz laser externa, o que pode tornar o pente complexo, pesado e caro de produzir.

Os cientistas do NIST e seus colaboradores UCSB demonstraram que microcombs criadas a partir do arsenieto de gálio e alumínio semicondutor têm duas propriedades essenciais que os tornam especialmente promissores. Os novos pentes operam com uma potência tão baixa que não precisam de um amplificador, e podem ser manipulados para produzir um conjunto extraordinariamente estável de frequências - exatamente o que é necessário para usar o pente de microchip como uma ferramenta sensível para medir frequências com precisão extraordinária. (A pesquisa faz parte do programa NIST on a Chip.)

A tecnologia de microcombas recentemente desenvolvida pode ajudar a permitir que engenheiros e cientistas façam medições de frequência óptica de precisão fora do laboratório, disse o cientista do NIST Gregory Moille. Além disso, a microcombina pode ser produzida em massa por meio de técnicas de nanofabricação semelhantes às já utilizadas para fabricar microeletrônica.

Os pesquisadores da UCSB lideraram os esforços anteriores no exame de microrressonadores compostos de arseneto de gálio e alumínio. Os pentes de frequência feitos com esses microrressonadores requerem apenas um centésimo da potência dos dispositivos fabricados com outros materiais. Contudo, os cientistas foram incapazes de demonstrar uma propriedade-chave - que um conjunto discreto de ou altamente estável, frequências poderiam ser geradas a partir de um microrressonador feito desse semicondutor.

A equipe do NIST resolveu o problema colocando o microrressonador dentro de um aparelho criogênico personalizado que permitiu aos pesquisadores sondar o dispositivo em temperaturas tão baixas quanto 4 graus acima do zero absoluto. O experimento de baixa temperatura revelou que a interação entre o calor gerado pela luz do laser e a luz que circula no microrressonador era o único obstáculo que impedia o dispositivo de gerar as frequências altamente estáveis ​​necessárias para uma operação bem-sucedida.

Em baixas temperaturas, a equipe demonstrou que poderia atingir o chamado regime de soliton - em que pulsos individuais de luz que nunca mudam de forma, frequência ou velocidade circulam dentro do microrressonador. Os pesquisadores descrevem seu trabalho na edição de junho da Resenhas de laser e fotônica .

Com esses solitons, todos os dentes do pente de frequência estão em fase uns com os outros, de modo que eles podem ser usados ​​como uma régua para medir as frequências empregadas em relógios ópticos, síntese de frequência, ou medições de distância baseadas em laser.

Embora alguns sistemas criogênicos desenvolvidos recentemente sejam pequenos o suficiente para que possam ser usados ​​com a nova microcomba fora do laboratório, o objetivo final é operar o dispositivo em temperatura ambiente. As novas descobertas mostram que os cientistas terão que temperar ou evitar totalmente o excesso de aquecimento para atingir a operação em temperatura ambiente.

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.